Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов

Изобретение относится к способам оптико-физических измерений. Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов включает измерения эллипсометрических параметров и пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант. Причем пленку толщиной 0,5-0,6 мкм наносят на внешнюю поверхность нижней грани треугольной 45-градусной призмы, выполненной из оптического стекла. При этом на наружную и боковую поверхность пленки наносят путем вакуумного напыления слой алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм, а эллипсометрические параметры и определяют по формулам:

,

,

где ,— экспериментально измеренные значения эллипсометрических параметров, — минимальная эллиптичность отраженного света при угле Брюстера , выражаемая как

,

где n0 =1 (воздух), n1 =1.51 (стекло), nсл, dсл– показатель преломления и толщина переходного слоя воздух - стекло соответственно. Технический результат заключается в возможности определения оптических постоянных тонких пленок химически активных металлов посредством метода эллипсометрии на воздухе. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, к способам оптико-физических измерений, основанных на эллипсометрии, и предназначено для определения оптических констант пленок химически активных металлов и сплавов.

Известен способ определения оптических констант, авторы которого определяли оптические константы пленок Pr, Eu, Tm, полученных методом электронно-лучевого испарения. С использованием источника синхротронного излучения в видимом, ультрафиолетовом и мягком рентгеновском излучении были получены спектры пропускания и поглощения пленок РЗМ. Значения коэффициента поглощения k и показателя преломления n были рассчитаны с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера и интегралов Крамерса-Кронига, соответственно. (M. Fernández-Perea , M. Vidal-Dasilva , J. A. Aznárez et al. Transmittance and optical constants of evaporated Pr, Eu and Tm films in the 4 − 1600 eV spectral range // Proc. SPIE, Advances in X-Ray/EUV Optics and Components III. 2008.Vol 7077, doi:10.1117/12.793740).

Однако недостатком известного способа является возможность исследования и измерения оптических свойств пленок только in-situ во избежание окисления образцов кислородом воздуха.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ измерения оптических констант металлического кальция с использованием эллипсометрии, который предварительно был напылен в вакууме на подложку в виде тонкой пленки (O. Hunderi “Optical properties of metallic calcium”, J/ Phys.F: Metal Phys., vol. 6, №6, 1976). При этом оптические исследования проводят в той же камере, что и напыление, в условиях сверхвысокого вакуума (Р~10-9Torr).

К недостаткам известного способа относится возможность измерения оптических параметров только в вакууме вследствие высокой химической активности металла, что значительно усложняет процесс измерения, при этом отдельную сложность составляет юстировка пучка поляризованного света относительно пленки и окон вакуумной камеры, а также оценка погрешностей измерения.

Таким образом, перед авторами была поставлена задача разработать способ определения оптических констант пленок химических активных металлов или их сплавов, позволяющий упростить процесс получения за счет осуществления возможности проводить оптические измерения на воздухе.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов, включающем измерения эллипсометрических параметров Δ и Ψ пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант, в котором пленку толщиной 0,5-0,6 мкм наносят на внешнюю поверхность нижней грани треугольной 45-градусной призмы, выполненной из оптического стекла, при этом на наружную и боковую поверхность пленки наносят путем вакуумного напыления слой алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм, а эллипсометрические параметры Δ и Ψ определяют по формулам:

; (1)

, (2)

где ΔЭ, ψЭ — экспериментально измеренные значения Δ и ψ, ψm — минимальная эллиптичность отраженного света при угле Брюстера φБ=arctg n1, выражаемая как

, (3)

где n0 =1 (воздух), n1 =1.51 (стекло), nсл, dсл– показатель преломления и толщина переходного слоя воздух-стекло.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов с использованием эллипсометрии путем нанесения пленки толщиной 0,5-0,6 мкм на внешнюю поверхность нижней грани треугольной 45-градусной призмы, выполненной из оптического стекла с нанесением на наружную и боковую поверхности пленки путем вакуумного напыления слоя алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм, с последующим определением эллипсометрических параметров Δ и Ψ по предлагаемым формулам.

В предлагаемом способе авторы осуществляют измерения эллипсометрических параметров в соответствии с геометрией Кречмана, то есть для луча, отраженного от пленки химически активного металла или его сплава, прилегающей к нижней грани 45-градусной треугольной призмы (см. фиг.1). На фиг.1 представлена схема, где 1 - призма, 2- пленка химически активного металла или его сплава, 3 – защитный слой алюминия. В настоящее время известно использование геометрии Кречмана для исследования поверхностных плазмонных резонансов в тонких пленках серебра или золота, толщина d которых меньше глубины проникновения луча света δ (скин-слоя):

, где λ- длина волны, k-коэффициент поглощения пленки. В предлагаемом способе толщина слоев исследуемых химически активных металлов существенно больше скин-слоя d>>δ, что обусловливает использование модифицированных математических формул. Использование призмы, в отличие от плоскопараллельного стекла, позволяет добиться большей точности измерений за счет того, что падающий луч света входит в верхнюю грань призмы при гораздо меньших углах, близких к нормали (см. фиг.1). Тем самым уменьшаются, в частности, погрешности, связанные с наличием переходного слоя на поверхности стекла, вызванного его обработкой (полировкой и т.д.). Таким образом, использование геометрии Кречмана позволяет повысить точность измерения эллипсометрических параметров за счет увеличения диапазона углов падения.

На Фиг.2 изображено прохождение падающего (под углом φ0) и отраженного луча света через боковые грани 45-градусной призмы. При угле падения φ0=45° эллипсометрические параметры Δ и ψ определяют на стандартном эллипсометре для модели: полубесконечная среда/стекло. В случае, если угол падения φ0>45° (как на Фиг.2), истинный угол падения луча света на образец φ1 определяют из закона Снеллиуса:

; ,

где n0 =1 - показатель преломления воздуха, n1=1.51 – показатель преломления стекла, α -угол преломления луча.

Истинные значения эллипсометрических параметров Δ и Ψ определяются по формулам (1) и (2).

Нанесение слоем большей площади и толщиной 0,5-1,0 мкм алюминия (см. фиг.1) обеспечивает защиту исследуемой пленки от окисления кислородом воздуха, поскольку при попадании на воздух алюминий покрывается плотной пассивирующей пленкой оксида Al2O3.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Пленку толщиной 0,5-0,6 мкм химически активного металла или его сплава наносят способом вакуумного напыления, например, методом термического вакуумного испарения на чистую обезжиренную нижнюю грань треугольной 45-градусной призмы из оптического стекла. Далее, таким же образом, то есть путем вакуумного напыления, наносят второй слой большей площади и толщиной 0,5 – 1,0 мкм на внешнюю (не контактирующую с поверхностью призмы) и боковые поверхности пленки химически активного металла или его сплава алюминия (см. фиг.1). При попадании на воздух алюминий покрывается плотной пассивирующей пленкой оксида Al2O3, которая обеспечивает защиту первого слоя от окисления кислородом воздуха. Измерения эллипсометрических параметров проводят по геометрии Кречмана. Эллипсометрические параметры Δ и ψ при этом определяют по формулам, выведенным на основе соотношений, представленных в работе (Мардежов А.С., Свиташев К.К., Швец В.А. «Учет пленки на границе воздух-жидкость при проведении иммерсионных измерений через плоскопараллельный слой жидкости» Украинский физический журнал. -1986. т.31, №1. –С.48-50):

; (1)

, (2)

где ΔЭ, ψЭ — экспериментально измеренные значения Δ и ψ, ψm — минимальная эллиптичность отраженного света при угле Брюстера φБ=arctg n1, выражаемая как

, (3)

где n0 =1 (воздух), n1 =1.51 (стекло), nсл, dсл– показатель преломления и толщина переходного слоя воздух-стекло.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. На вакуумной установке ВУП-5М (давление около p=10-6Торр) методом термического испарения на нижнюю грань 45-градусной призмы из оптического стекла K8 сначала была нанесена пленка лантана, толщиной 0.5мкм и покрыта слоем алюминия толщиной 0,5 мкм. Измерение эллипсометрических параметров Δ и ψ проводилось на эллипсометре ЛЭФ-3М (длина волны 0,6328 мкм, угол падения φ0=82°), по схеме, показанной на фиг.2.

Согласно соотношению (1), если φ0=82°, n0 =1 (воздух), n1 =1.51 (стекло К8), то sin α= 0,39855 => α=23,48°, φ1=68.48°. Измеренные значения Δ и ψ при длине волны λ=0.6328 мкм равны ψЭ=33°, ΔЭ=92.2°. Согласно формулам (1-3):

;

Поскольку поправка для Δ, вычисленная по формулам (2,3) как правило очень мала (), то ею можно пренебречь.

Используя уравнения однородной полубесконечной среды :

были вычислены показатель преломления и коэффициент поглощения пленки лантана при длине волны λ=0,6328мкм, равные nLa=1.8, kLa=3.05. Полученные значения хорошо согласуются с результатами, приведенными в работе (Князев Ю.В., Кузьмин Ю.И., Кириллова М.М. Оптическое поглощение в легких редкоземельных металлах (La, Ce, Pr, Nd) // Физика металлов и металловедение. 1995. Т.79, c.60-69).

Пример 2. На вакуумной установке ВУП-5М (давление около p=10-6Торр) методом термического испарения на нижнюю грань 45-градусной призмы из оптического стекла K8 сначала была нанесена пленка неодима, толщиной 0.5мкм и покрыта слоем алюминия толщиной около 0,5 мкм. Измерение эллипсометрических параметров Δ и ψ проводилось на эллипсометре ЛЭФ-3М (длина волны 0,6328 мкм, угол падения φ0=82°), по схеме, показанной на Фиг.2.

Согласно соотношению (1), если φ0=82°, n0 =1 (воздух), n1 =1.51 (стекло К8), то sin α= 0,39855 => α=23,48°, φ1=68.48°. Измеренные значения Δ и ψ при длине волны λ=0.6328 мкм равны ψЭ=31.66, ΔЭ=89.91. Согласно формулам (1-3):

;

Поскольку поправка для Δ, вычисленная по формулам (2, 3), как правило, очень мала (), то ею можно пренебречь.

Используя уравнения однородной полубесконечной среды:

были вычислены показатель преломления и коэффициент поглощения пленки неодима при длине волны λ=0,6328мкм, равные nNd=1.9, kNd=2.85. Полученные значения хорошо согласуются с результатами, приведенными в работе (Князев Ю.В., Кузьмин Ю.И., Кириллова М.М. Оптическое поглощение в легких редкоземельных металлах (La, Ce, Pr, Nd) // Физика металлов и металловедение. 1995. Т.79, c.60-69).

Таким образом, авторами предлагается высокоточный способ определения оптических постоянных тонких пленок химически активных металлов и сплавов с использованием метода эллипсометрии на воздухе.

Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов, включающий измерения эллипсометрических параметров и пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант, отличающийся тем, что пленку толщиной 0,5-0,6 мкм наносят на внешнюю поверхность нижней грани треугольной 45-градусной призмы, выполненной из оптического стекла, при этом на наружную и боковую поверхность пленки наносят путем вакуумного напыления слой алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм, а эллипсометрические параметры и определяют по формулам:

; (1)

, (2)

где , —экспериментально измеренные значения эллипсометрических параметров, - минимальная эллиптичность отраженного света при угле Брюстера , выражаемая как

,

где n0 =1 (воздух), n1 =1.51 (стекло), nсл, dсл– показатель преломления и толщина переходного слоя воздух - стекло.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к автомобильной промышленности. Способ и соответствующее устройство (100) для контроля шин на производственной линии обеспечивают предварительное размещение шины (200), подлежащей контролю, упругое деформирование участка боковины шины посредством приложения сжимающего усилия к внешней контактной поверхности участка боковины, при этом сжимающее усилие имеет осевое направление и ориентацию, направленную к диаметральной плоскости, освещение внутренней и/или внешней поверхности участка боковины и детектирование изображения освещенной поверхности, генерирование контрольного сигнала, соответствующего детектируемому изображению, и анализ контрольного сигнала для детектирования возможного наличия дефектов на участке боковины.

Настоящее изобретение относится к электронному курительному изделию и, в частности, к принадлежности для сбора данных о режиме курения, закрепленной к корпусу электронной сигареты.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим методам. Способ контроля шероховатости поверхности детали включает зондирование исследуемой поверхности потоком со струйной структурой, содержащим смесь химически взаимодействующих газов, визуализацию информативного параметра через контролируемую область поверхности по регистрируемому в оптическом диапазоне длин волн изображению яркостного контраста проекции зоны химического взаимодействия смеси газов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим методам. Способ контроля шероховатости поверхности детали включает зондирование исследуемой поверхности потоком со струйной структурой, содержащим смесь химически взаимодействующих газов, визуализацию информативного параметра через контролируемую область поверхности по регистрируемому в оптическом диапазоне длин волн изображению яркостного контраста проекции зоны химического взаимодействия смеси газов.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается устройства для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ).

Группа изобретений относится к оптическим датчикам. Устройство для обнаружения сигналов рассеянного света содержит источник света (10), излучающий свет в одной зоне (15) рассеянного света, при этом падающий свет определяет ось падения (11), несколько оптических датчиков (21-30) для обнаружения рассеянного света, каждый из которых расположен под углом (W1-W10) датчика относительно оси падения (11)), при этом по меньшей мере один из нескольких оптических датчиков (21-30) является опорным датчиком рассеянного света, и оценочный блок для оценки сигналов, обнаруженных оптическими датчиками, при этом для классификации типа любой частицы, оценочный блок выполнен с возможностью соотнесения профилей сигналов других оптических датчиков (21-30) с профилем сигнала по меньшей мере одного опорного датчика.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается статического устройства для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) вдоль ее трека.

Изобретение относится к химии, экологии, а именно к способам исследования токсичных химических веществ в окружающей среде и установлении их контроля. Способ заключается в подготовке образцов пыли, отобранной из атмосферного воздуха, с помощью экстракции хинолином при нагревании и обработке ультразвуком и дальнейшем количественном измерении оптической плотности полученного раствора угля в видимой области спектра поглощения.

Изобретение относится к области исследования поверхности металлов и полупроводников и касается устройства для промера распределения поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) над ее треком.

Способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала включает в себя измерение затухания оптического канала от источника оптического излучения до приемника оптического излучения.

Способ определения расстояния до границ объекта включает измерение размера изображения в плоскости изображений оптического прибора со светочувствительной матрицей, осуществление перемещения прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние, вновь измерение размера изображения объекта.

Группа изобретений относится к проекционной технике. Лазерный прибор для проецирования структурированной картины освещения на сцену сформирован из нескольких матриц лазеров VCSEL, причём каждая матрица расположена на отдельном кристалле VCSEL и содержит нерегулярное распределение излучающих областей полупроводниковых лазеров.

Группа изобретений относится к способу измерения геометрических параметров электросварных труб различного диаметра и системе для измерения геометрических параметров электросварных труб.

Изобретение относится к области лесопользования, в частности к определению состояния деревьев в лесных массивах. Устройство для выполнения измерений в группе деревьев содержит беспилотное воздушное транспортное средство (236), датчиковую систему (306), связанную с беспилотным воздушным транспортным средством (236), управляющее устройство (310).

Система управления направлением движения транспортного средства включает в себя два отдельных устройства привязки; лазерное сканирующее устройство, выполненное с возможностью испускать сигналы лазерного луча и сканировать секторную область лазерным лучом, с тем чтобы измерять расстояние по прямой соединительной линии для соединения лазерного сканирующего устройства с любым из по меньшей мере двух отдельных устройств привязки и угол между соответствующей прямой соединительной линией и корпусом транспортного средства у транспортного средства или угол между прямыми соединительными линиями; процессор, выполненный с возможностью обрабатывать и сохранять данные и определять, является или нет ориентация корпуса транспортного средства в реальном времени отклоняющейся от начальной ориентации корпуса транспортного средства сразу после того, как система начинает работать, в соответствии с результатами, считанными лазерным сканирующим устройством.

Изобретение относится к точной механике и может быть использовано для контроля качества изготовления изделий; оцифровки созданного вручную дизайн-макета изделия, как основы для дальнейшей проработки; представления удаленных экспертов результатов разрушающих испытаний, последствий аварий и катастроф, воздействий взрывов; визуализации участков местности с естественными формами рельефа; криминалистов, археологов.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для автоматического контроля размеров, шероховатости поверхности и температуры изделий. Технический результат – повышение точности измерений.

Изобретение относится к области обработки изображений. Технический результат – определение реального расстояния на основе изображения без сравнения с эталонным объектом, имеющимся в изображении.

Изобретение относится к области измерительной техники. Датчик угла поворота, выполненный в виде фотоэлектрического автоколлиматора, содержит объектив, в фокальной плоскости которого установлен матричный приемник излучения, выходом подключенный к электронному блоку, светоделитель, расположенный перед матричным приемником излучения, осветитель с источником света, предназначенный для подсветки сигнальной маски с прозрачным штрихом, установленной перед светоделителем в фокальной плоскости объектива, и двойное зеркало, представляющее собой контролируемый объект - призму БР-180°, обращенную прозрачной входной гранью к объективу.

Изобретение относится к области оптических измерений. Оптический способ измерения поля толщины прозрачной наледи на лопастях ветрогенератора заключается в освещении прозрачной наледи и фиксации видеокамерой изображения искаженного светового кольца, образованного на поверхности под наледью в результате полного внутреннего отражения света на границе раздела наледь-воздух.

Изобретение относится к способам оптико-физических измерений. Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов включает измерения эллипсометрических параметров и пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант. Причем пленку толщиной 0,5-0,6 мкм наносят на внешнюю поверхность нижней грани треугольной 45-градусной призмы, выполненной из оптического стекла. При этом на наружную и боковую поверхность пленки наносят путем вакуумного напыления слой алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм, а эллипсометрические параметры и определяют по формулам:, ,где,— экспериментально измеренные значения эллипсометрических параметров, — минимальная эллиптичность отраженного света при угле Брюстера, выражаемая как ,где n0 1, n1 1.51, nсл, dсл– показатель преломления и толщина переходного слоя воздух - стекло соответственно. Технический результат заключается в возможности определения оптических постоянных тонких пленок химически активных металлов посредством метода эллипсометрии на воздухе. 2 ил.

Наверх